הבדל בפוטנציאל מגע

אם שתי דגימות העשויות משתי מתכות שונות נלחצות זו בזו בחוזקה, אז יתרחש הבדל פוטנציאל מגע ביניהן. הפיזיקאי, הכימאי והפיזיולוג האיטלקי אלסנדרו וולטה גילה תופעה זו בשנת 1797 תוך כדי חקר התכונות החשמליות של מתכות.

ואז וולטה גילה שאם מחברים את המתכות בשרשרת בסדר הזה: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, אז כל מתכת הבאה בשרשרת המתקבלת תרכוש פוטנציאל של - נמוך מהקודם. יתרה מכך, המדען מצא שמספר מתכות המשולבות בצורה זו יתנו את אותו הפרש פוטנציאל בין קצוות המעגל שנוצר, ללא קשר לרצף הסידור של מתכות אלו במעגל זה - מיקום זה ידוע כיום כחוק המגעים הסדרתיים של וולטה .

כאן חשוב ביותר להבין כי ליישום המדויק של חוק רצף המגע, יש צורך שכל מעגל המתכת יהיה באותה טמפרטורה.

אם מעגל זה נסגר כעת מהקצוות על עצמו, אז נובע מהחוק שה-EMF במעגל יהיה אפס.אבל רק אם כל אלה (מתכת 1, מתכת 2, מתכת 3) יהיו באותה טמפרטורה, אחרת חוק הטבע הבסיסי - חוק שימור האנרגיה - יופר.

עבור זוגות שונים של מתכות, הפרש פוטנציאל המגע יהיה שלו, ונע בין עשיריות ומאיות וולט לכמה וולט.

כדי להבין את הסיבה להופעת הפרש פוטנציאל המגע, נוח להשתמש במודל האלקטרון החופשי.

תן לשתי המתכות של הזוג להיות בטמפרטורת אפס מוחלטת, ואז כל רמות האנרגיה, כולל גבול הפרמי, יתמלאו באלקטרונים. הערך של אנרגיית הפרמי (גבול) קשור לריכוז אלקטרוני ההולכה במתכת באופן הבא:

m היא מסת המנוחה של האלקטרון, h הוא הקבוע של פלאנק, n הוא ריכוז אלקטרוני ההולכה

אם ניקח בחשבון יחס זה, אנו מביאים במגע קרוב בין שתי מתכות בעלות אנרגיות פרמי שונות ולכן עם ריכוזים שונים של אלקטרוני הולכה.

נניח לדוגמה שלנו שלמתכת השנייה יש ריכוז גבוה של אלקטרוני הולכה ובהתאם לכך רמת הפרמי של המתכת השנייה גבוהה מזו של הראשונה.

לאחר מכן, כאשר המתכות באות במגע זו עם זו, תתחיל דיפוזיה (חדירה ממתכת אחת לאחרת) של אלקטרונים ממתכת 2 למתכת 1, כי למתכת 2 יש רמות אנרגיה מלאות שנמצאות מעל רמת הפרמי של המתכת הראשונה. , כלומר אלקטרונים מרמות אלו ימלאו את המשרות הפנויות של מתכת 1.

התנועה ההפוכה של אלקטרונים במצב כזה היא בלתי אפשרית מבחינה אנרגטית, שכן במתכת השנייה כל רמות האנרגיה הנמוכות כבר מלאות לחלוטין.בסופו של דבר, מתכת 2 תהפוך לטעונה חיובית ומתכת 1 תטען לשלילה, בעוד שרמת הפרמי של המתכת הראשונה תהפוך לגבוהה ממה שהייתה, וזו של המתכת השנייה תרד. שינוי זה יהיה כדלקמן:

כתוצאה מכך, ייווצר הפרש פוטנציאל בין המתכות המגעות לבין השדה החשמלי המתאים, אשר ימנע כעת דיפוזיה נוספת של אלקטרונים.

התהליך שלו ייפסק לחלוטין כאשר הפרש הפוטנציאלים יגיע לערך מסוים המתאים לשוויון רמות הפרמי של שתי המתכות, שבהן לא יהיו רמות חופשיות במתכת 1 עבור האלקטרונים החדשים שהגיעו ממתכת 2, ובמתכת 2 לא ישתחררו רמות לגבי האפשרות של נדידת אלקטרונים ממתכת 1. מאזן האנרגיה יגיע:

מכיוון שהמטען של האלקטרון שלילי, יהיה לנו את המיקום הבא ביחס לפוטנציאלים:

אמנם במקור הנחנו שהטמפרטורה של המתכות היא אפס מוחלט, אך באופן דומה יתרחש שיווי משקל בכל טמפרטורה.

אנרגיית הפרמי בנוכחות שדה חשמלי תהיה לא יותר מאשר הפוטנציאל הכימי של אלקטרון בודד בגז אלקטרונים המתייחס למטען של אותו אלקטרון בודד, ומכיוון שבתנאי שיווי משקל הפוטנציאלים הכימיים של גזי האלקטרון של שתי המתכות יהיה שווה, יש רק להוסיף לשיקול את התלות של הפוטנציאל הכימי בטמפרטורה.

לכן, הפרש הפוטנציאל שנחשב על ידינו נקרא הפרש פוטנציאל המגע הפנימי ומתאים לחוק של וולטה למגעים סדרתיים.

הבה נאמוד את הפרש הפוטנציאל הזה, לשם כך אנו מבטאים את אנרגיית הפרמי במונחים של ריכוז אלקטרוני ההולכה, ואז נחליף את הערכים המספריים של הקבועים:

לפיכך, בהתבסס על מודל האלקטרונים החופשיים, הפרש פוטנציאל המגע הפנימי למתכות הוא בסדר גודל של מאיות וולט למספר וולט.